JPH02500613A - 高感度光学的イメージ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 −覚　−ジ □ 比」 この発明は高感度光学イメージ装置、特に、適当な試薬で処理された診断用のサ ンプルから放出される微少の光子の検出段Ｕ測定のためのバイオ、医薬分野にお ける微少光検出のための高感度光学的イメージＨａに間する。

例えば、血清又はその他の体液は、モノクロナール抗体から取り出されたある種 の試薬と１合された時、ある種の抗体薬の存在下で光子放出を生ずる。

この原理は一般に荘胞組織の分野など電気泳動ゲルなど２二通用される。

１豆立１」 生体化学の分野における化学反応によって生じる低レベル光子放出の検出は、１ 種または数種の試薬を血清又は他の体液と混合させた時に、体液と試薬の混合に ともななう光子放出が存在するか、あるいはどの程度の光放出が存在するかによ って、抗体又は抗原が体液中に存在するかどうか、或いはどの程度存在するかを 判断する技術がが発達するにつれてますます重要になって来ている。

これらの技術は癌や最近のエイズのような病のマス・スクリーニングのために発 達した。

このような技術において、検査される液体サンプルは、代表的にはプラスナック 製の不透明なトレーの各ウェルの中に置かれる。代表的なトレーは９ｍｍ間隔で ６ｍｍ直径のウェルを９６ケ含む、９６ケのウェルは縦横１２×８の配列をなす 。各ウェルは特定の試薬とサンプルとの組み合わせによって行われる１つのテス トが可能である。したがって、９６ウエルは１つのものに対する異なった多数の テスト又は異なったものに対する同一のテストの多数の鋪み合わせを同時に９６ までテスト出来る。

光子放出診断技術に関連した主たる問題は、このようなほとんどの反応において 光子放出が極めて低率であることである。従来のほとんどの電子光検出器のＳ／ Ｎ比はるま６世すぎるので、このような低い光放出が検出てきないため、低温の 冷却技術によって従来の光検出器の感度を改善して、検出器の電子の活動（ノイ ズ）を許容出来るレベルに減じる試みがなされており、これによって、検出器が 非常に低い光放出に対しても応答するようにしている。

しかしながら、個々のウェルからの光の放出と光子検出器との間の効率的な結合 はが貧弱になりがちであるため、このような装置も未だ望ましい感度レベルを有 していない。

加えて、そのような検出器に萱通使用される電荷結合緊子は、蛍光分析測定に使 用される波長（代表的には４２０ナノメーター）において極めて低い効率になり がちであ　る。

より高い効率を得るために波長転換層を使用することが関連した重要な問題とな っている。

他の提案ては光子映像検出器を利用したが、その出力は光子が検出されるχＹ　 Ｍ標に対応するデジタル信号より構成されている。しかしながら、そのような装 置は、ランダムサンプリングで作動し、飽和しやすく、より高い光レベル源の存 在では低い光レベルに感じなくなる傾向がある。したがって、このような装置は １つのウェルからの光子放出と他のウェルからのそれとの間に著しい差異のある 試料トレーに対しては一般に使用できない。

今まで知られた提案は、ゲル電気泳動のような仮レベル光検出を要求する他の分 野においても欠点があった。

従って、本発明の目的の第一は、広いダイナミックレンジを有し、極低率の光子 放出の存在に対しても応答して出力信号を生じることの出来る改良された光子検 出器を含んだ装置を提供することにある。

更に、本発明の第二の目的は、特に生物組織学において見られるような細胞分野 において、ウィルス感染や癌細胞の検出に使用される極低率の光子検出に応答し ろる螢光分析測定システムを提供するにある。

更に、顕ｒ４ｆｌのサンプルホルダー上におけるサンプルの顕微鏡的試験におい ては、低倍率においてさえも、オペレーターは、サンプルの一小部分を見るのみ であったが、特別の関心のあるいくつかの側面（これは高倍率でさらに詳細に観 察され得る）を発見するためにサンプルの全体を走査する必要がある。

このようなやり方でサンプル全体をオペレーターが走査することは、時間を浪費 し、又質層のかかるものである。

したがって、本発明の更なる目的はこの問題の解決に役立つイメージ定量器を提 供することである。

しかし、本発明のイメージ装置は、高感度の光学映像は要求される関連する分野 と同様に、螢光マイクロスコープ検査、リミネッセンスマイクロスコープ検査、 干渉検査、分光検査、Ｘ−線デジタル映像、ゲル電気泳動の分野において一般的 に利用される。

１１図１１ 本発明によれば、高感度の光学的イメージ装置が提供される。

そのイメージ装置は、　１以上のサンプルを支持するサンプルホルダーの上の異 なった場所から放出される光子放出を、入力フェイスプレートの区別された部位 において受けるために、サンプルホルダーに光学的に連結されるようにしたイメ ージインテンシファイアと、フェイスプレートの各々の異なる場所で受けられた 光子放出による電気出力信号を生ずるようにイメージインテンシファイアの出力 に接続された光電検出手段と、サンプル又はサンプルホルダーによって支持され た光子放出の生ずる場所に各々の出力信号を関連付けるための信号処理手段を備 えている。

本発明の実施例としては、次のものが考えられる。

すなわち、　（ａ）サンプルがイメージインテンシファイアとマイクロスコープ とによって観察できるイメージ定量器、　（ｂ）複数の別個の反応場所からの光 放出を測定するための光子検出器、　（Ｃ）ゲル電気泳動におけるような放射源 のコラム数の測定装置などがある。

最初に述べた例においては、イメージ定量器は、収容されたサンプルが、イメー ジインテンシファイアと顕微鏡とによって観察できるサンプルサンプルホルダー を含むものである。

したがって、本発明によれば、サンプルホルダーは、サンプルを直接支持するた めの光学的繊維ガラスから成る下面を有するイメージ定量器が提供される。

また、サンプルの全面積から単位面積毎に光を受けるために、サンプルホルダー の下面に光学的に連結されたファイバー光学フェイスプレートを有したイメージ インテンシファイア、サンプルの単位面積毎に対して少なくとも１つのビクセル を有し、イメージインテンシファイアの出力面に光学的に接続されたＣＯＤセン サー、ＣＯＤに蓄積されたイメージを周期的に読みとるための電子手段、その電 気信号を処理する手段、処理された信号によって駆動され、オペレータは、サン プル中の関心あるどんな場所でも見分けることの出来る手段が提供される。

イメージインテンシファイアにより観察している間、サンプルの蛍光を制御して イメージインテンシファイアの飽和を防ぐ手段を用いても良い。

自己発光性のサンプルの観察に用いる場合は、外部からの光はすべて排除出来る 。従来のマイクロスコープでサンプルを観察するために？Ｅ感度が必要とされる 場合は、イメージインテンシファイアの高圧電源は自動的にカットされるか、光 をカットするためのシャッターが使われる。

信号処理手段は、ＣＯＤから得られた信号を数値化するための手段と、数値化さ れた信号を蓄積する手段とから構成されるのが好ましい、蓄積された信号は、様 々な方法でディスプレイ装置を駆動するため、コンピュータグラフィックを利用 して読みとることができる。全サンプルを二次的表示するのに加えて、例えば蓄 積された信号は、表示Ｈ置がサンプルの断面ヒストグラムを表すように利用され ても良い。

蓄積された信号は、また顕微鏡位置決め装置を制御するために読み取られること もでき、これによりて、顕微鏡はサンプルの関心のある場所に自動的に中心を置 くことができる。

オペレータが関心ある場所を選択することが望まれる場合には、処理された信号 によって駆動されるディスプレイ装置は、関心ある場所を選択するために、顕微 鏡で全体のサンプルを低出力で走査する必要はなく、オペレータが関心のある座 標を見つけて直ちにその顕微鏡を手動で移動できるように、あるいはそうでなけ れば、その場所に中心を置いて高出力でそれを見ることができるように、全体の サンプルのいくつかあるいは全部を表示でき　る。

イメージインテンシファイアの出力面をＣＯＤの連結するために、ファイバー光 連結具を使用してもよい。

実際の装備にあたっては、イメージインテンシファイアは比検査面積を５０Ｘ５ ０ミクロンオーダーの多数の単位面積に分解することができ、一方ＣＯＤは、サ ンプルのどの単位面積からの光もが、ＣＯＤの約４　ｂ）ら５のビクセルに平均 して広がるように、２２Ｘ２２ミクロンオーダーの面積をもったビクセルを持っ ている。

ＣＣＤはイメージインテンシファイアよりも少ない受光面を持つこともてきる。

この場合、減倍ファイバー光テーパ（ｄｅｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ　ｆｉｂｒｅ　 ｏｐｔｉｃ　ｔａｐｅｒ）がイメージインテンシファイアとＣＯＤを結合するた めに使用してもよい。

サンプル全体を観察する容易さは失われるが、約３０×３０ミクロンの単位面積 が検出され、連続して表示され、検査されるように、全体の分解度を増大するた めに、１：１フアイバー光連結具を代用してもよい。

ある実施例では、この代用は任！的であり、通常の縮小イメージカブラや１月１ カブラが必要に応じて選択される。

ＣＣＤに蓄積されにイメージはＣＣＩＲ標準を利用したテレビフレームの割合で 読み出されることが好ましい。

しかしながら、テレビフレームの割合で得られた信号がが子十分なＳ／Ｎ比を有 している場合は・　サンプリング同門は、例えば、　１秒まで増大する。

本発明による装置は、ファイバー光学サンプルホルダーの効果的な透明性とイメ ージインテンシファイアのホトカソードの効Ｚ（こ依存する検出確率をもって・ 　サンプルのとの単位面積から放出される光子も検出し数えることが出来る。

１０÷４オーダーの光子利得を有し、約２０９：のｏｐｔｉｃａｌｔｅｐｅｒ　 ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙと、約ａｏＺのＣＣＤの効率を有したイメージインテンシ ファイアでは、　１つの光子が検出されれば約８０００エレクトロンが生ずる。

比較すれば・Ｍ　４でのテレビフレームの割合のＣＣＤとクセルノイズ（雑音） は、約２００エレクトロンであり、単一の光子による光は約４ピクセルに亘って 広がるので、全体のノイズレベルは単一光子によりで生じる信号の１７１０より 少ない。Ｓ／Ｎ比は、ＣＯＤが冷却されれば更に改善されるであろう。

サンプルの単位面積当たり１秒につき１０＋６程度の光子放出があれば飽和が生 ずる。このレベルでは、Ｓ／Ｎ比は６００のオーダーである。

サンプルホルダーは、液体サンプルの検査が出来る浅いウェルを有する光フアイ バー底板を備えており、サンプルホルダーは、またサンプルと下プレートどの間 に充分な接触を保証するため位置決め用のリングによって上記した下プレートに 対向して置かれた上プレートを有する。これらの二つのプレートは、したがって −緒に締め付けられて、上からのマイクロスコープによる観察と、下からのイメ ージ定量器による検出及び測定のために置かれている。

実施例（ｂ）は、通常、非常に低い率の光子放出に応答し得る光子検圧器と関連 付けられ、代表的には多くの反応場所の各々からの光子放出を、その人力フェイ スプレートの配慮された場所において受けるようにするために、置かれたイメー ジインテンシファイアと・　それと関係する反応場所の各々から、イメージイン テンシファイアの入力部で受け取られる光子放出に依存した信号として電子出力 ′ｒＬ流を生させるために、イメージインテンシファイアの入力に結合された光 Ｈ気センサーと、別々の８力信号が反応発生場所に関係付けられるようにして、 電気出力電流を別々の信号として蓄積する回路手段とより構成されている。

光放出は、もし個々の反応場所のそれぞれから検出されれば、圧力信号は、それ によって光子放出に応じた装置から得ることが出来る。

各反応場所は、その場所がイメージインテンシファイアの人力フェイスプレート の配慮された場所と結合されるようにした光ガイド手段によつて、イメージイン テンシファイアの入力フェイスプレートに別々に連結してもよい、必要なら、フ ェイスプレートにおいてより小さい面積を占めるように、光ガイドの横断面は入 力端からフェイスプレート端に向けて少し先細りにすることができる。

そのような光ガイド手段は、反応ウェルを有するトレーのようなイメージインテ ンシファイアの入力フェイスプレートが、反応ウェルを備えたトレーのようなサ ンプルホルダーの全体面積よりも面積に於いて小さい場合には１寺に遅している 。

したがって、このように、光ガイドはサンプルホルダーと連結された入力端とイ メージインテンシファイアの入力フェイスプレートと連結された出力端との間の ように、横断面積が小さくなる。

各細胞からの光子放出が隣接する細胞からの光子放出と全く区別されていること が、勿論重要であって、この目的のために光ガイドはコートされ、又は不透明な 物質で被われる。この不透明な物質は、有利なことに直面した面に光の内部反射 を与える。

それ以外にも、光ガイドは光学的ファイバーの形で、光を効果的に伝達するため に低屈折率の透明な物質で被つてもよい。

好ましくは、細胞を他の細胞と隔離し、またＨ屡の残りからも隔離するため、ウ ェルを持つトレーは透明なフィルム、代表的にはプラスチックフィルムでカバー してもよい。

代表的には、各ウェルと、その関連した光ガイドを光学的に隔離するため、孔あ きの不透明なガスケットが、光ガイド列とカバーされたトレーとの間に置かれる 。

そのガスケットは、例えばスポンジゴムで作られてもよい。

光を検出器又はセンサーは、代表的にはトムソンによって先度されたＴＨ７８５ ２のような電荷結合素子である。このようなデバイスは、アクチブなセンサー（ すなわちビクセル）整列を与える。そして、上記デバイスにおいてそのセンサー 列は、各列に２０８ビクセルをもった１４４列のｉａマトリクスと考えることが 出来る。

イメージインテンシファイアは、代表的にはマルチステージの縮小高利得イメー ジインテンシファイアである。

代表的には、その装置は、８０ｍｍ径の入力フェイスプレートを有し、出力側の 直線はただの７　ｍ　ｍである。

このようなインテンシファイアの機能は、入力における光子到達に応じた出力側 で利用できる光子の数を増加させることである。縮小化は、インテンシファイア の入力に於ける光源列の全体の大きさを光電検知器又はセンサーの感光面積の大 きさまで減少するために好んで選ばれる・　かくして、縮小化イメージインテン シファイアは光電検出器の入力訃直径に対応した出力直径を持つように選択され る。

電荷結合素子は、入力部における検出器によって受けられた光子放出に応じた電 気出力信号を与えるため、一定時間の間に受けられた光子を積分するように動作 させることが出来る０個々のビクセルは別々の検出器と考えられ・　更に好まし くはとクセルのグループはそのアレイ上ノ異なった多数の検出器を形成するもの と考えられ、各クループは隣接した多数のビクセルからなっている。

そのようなグループの中の各ビクセルは個々に番地付けされ、すなわち、全体と して、グループ単位の個々のビクセルから出力信号を結合することによって生成 されて出力信号としてアドレスされる。朝み合わせは平均又は和によってなされ る。

電荷結合素子と関連された回路手段は、使用されるべき時間の広い範囲で積分が 可能であり、光子放出が測定されるテスト時間は数ミリ秒または長くて数秒であ るように計画される。

好ましくは、回路手段は信号積分手段を含み、かつビクセルによるブラックレベ ルを補正するようにされ、イメージの読み出しの間、平坦分野の補正を行なう。

全光量は、特定な場所からの光に応じたとクセルグループ内において、単一ビク セルあるいは複数のビクセルからの寄与を総和することによって得られる単一光 源から生じる。

代表的には、フラッシュアナログ−デジタル変換器（ＦＡＤＣ）は、各ビクセル と関係する電荷に応じたデジタル信号値を生じさせるために、一体化されてもよ い。

目盛り定めのテーブルはランダムアクセスモリの中に支持され、毎秒１０ミリオ ンの電流割合で読み出しサイクルにおいて、電子が各ビクセルを連続的に処理さ せるために・　パイプライン方法が用いらｎる。

通常、無熱光を発するバイオ・ケミカルサンプルはスペクトルの青色部分（４２ ０ナノメーター波長のオーダーの）において光を放出する。そこではイメージイ ンテンシファイアのホトカソードの効率は代表的には２０＆のオーダーである。

個々のセルとイメージインテンシファイアどの間で、送信において代表的には５ ０寮の伝送損失をもつ組み合わせにおいて、これは反応物によって放出された個 々の光子がイメージインテンシファイアの中の出力を生ずる１０祈のチャンスを 所することを意味する。

もし、イメージインテンシファイアが３５０００の効果利得をもって利用され、 且つ電荷結合素子がイメージインテンシファイアにより放圧される光子に対し２ ５２の量子効果をもつ光ｉ！抄出器として使用されるならば、電荷結合素子に生 ずる信号エレクトロンの数は入射光子につき・　平均的３５００である。代表的 に３０Ｘ２８ミクロンのサイズのＣＯＤビクセルで、且つ、反応トレー中の光子 源の１つと連携する各グループの中の約１２０ビクセルで、グループ中の１２０ とクセルの各々において、入射光子あたり平均３０の信号エレクトロンを意味す る。希望すれば、ビクセルについての読み出しノイズは、ρｅｌｔｉｅｒ冷却ノ により２５エレクトロンより少なく減少することができる。

好ましい実施例において、検出ｆｉ串が１０ｇであるならば、　１つの光子（ｃ ａｌｌｅｄ　ｅａｓｅ　ｎ＝］）から生ずる光は、各反応場所（ミリメータ当た り１５ラインの解像度を使用）の観察で可能な３５０ビクセルの巾の２０倍に限 定されている。

信号に関係した読み出しノイズはビクセル毎の電子読み出しノイズ（即ち２５） を掛けたビクセル数の１７２束、即ち約１１２の値である。このことは１＠の検 出された光子が３５０００の信号エレクトロンを算出することを考えれば、信号 をこのケース（ｎ＝１）において３００のノイズレシオに導く。

医薬上の応用においては、誤った反対の結果は非常に困るので、光子が検出され ない確率を決定することは重要である。光子不検出はポアソンの統計値を使って １゜牙検出確率（ｎ＝４６）で示される。　１鬼より低い確率もある。　（ｎ＝ ６９）では確率は０．１χである。　１秒又はそれ以上の積分時間においては、 低率の測定も可能である。ｎが大きい所では、多くの光子が検出され、路光と同 じ量が反応場所と連携した１２０ビクセルの各々に入る。各ビクセルは平均、検 出光子当たり３０エレクトロンを受けるｗ面結合素子の飽和特性を考慮する必要 がある。そして、もし飽和がビクセル当たり３０００００エレクトロンのレベル で起こると考えられるならば、ｎの値は約１００００エレクトロンまで測定され る。但し、この限界は積分時間とは無間係であり、もし数ミリ秒（代表的には４ ミリ秒）の積分時間が使用されるならば、毎秒２．５ミリオンの入射光子の流れ の正確な測定に夕づ応する。

反応場所の特殊なセットを観察する間、長短両方の積分時間が最大のダイナミッ レンジを与えるために使用され得る。良好なアンチブルーミング特性を有するＴ Ｈ７８５２型のような光電検出器を使うことによって、高流出湯所からのエレク トロン信号は大きく低流出場所を観察している電荷結合素子の結合部分に拡散す ることが防止される。もし、漏洩が更に減少される必要があるならば、コンピュ ータでコントロールされたシャッターが長い積分サイクルの間高い流出場所を自 動的マスクするように利用される。このようなテクニックを使って５４０００オ ーダー（１！ＩＩち２５０００００／４６）（７）ダイナミックレンジを達成す るのは可能である。

本発明は、低温冷ＩＣＣＤアレイを含む低光レベル検出器についての前設計に明 らかな利点がある。

これは、主にレンズの必要性補充と、光を出す反応場所とイメージインテンシフ ァイアの入カフェイスプレートとの間の直接結合とから来る。イメージインテン シファイアは発生源とイメージインテンシファイアとの間の光子結合を増し検出 器への効果供給数を増すものである。

モジ・　レンズが反応場所からの光子放出を捕らえるために使用されねばならず 、これを７レイにフィードせねばナラナかったならば、本発明の予想値の０．　 １よりも１３００倍も悪い光子Ｍ捉率となるであろう・　本発明による直接イメ ージＨａは直接カップリングを利用せず・　イメージインテンシファイアは１０ 分オーダーの非常に長い積分時間を必要とする。

本発明は、イメージインテンシファイアと、ウェルがら放出された光がイメージ インテンシファイアのフェイスプレートの配慮された部位に受けられるようにさ れた多数の整列された反応ウェルを含むトレーを受けかつ支持する手段と、イメ ージインテンシファイアの出力がらの光を受Ｃ九　かつ積分期間の間、各セルか ら光から示される！見出力信号を出すのに適した多元緊光電ａｒａｙ検出器と、 積分時間をコントロールし、かつ、　トレーの中の間係ウェルからの光子放出に 依存した値をもった電気出力信号を生ずるための電気回路とから構成される多層 のルミネッセンス分析装置に在る。

本発明の検出器の増強された感度から見れば、迅速なデータ換算と９６のサンプ ルのトレーに対して１０秒以下という全測定時間を含めて、マルチ測定シーケン スの方法によって、個々の反応に依存したモニタリングタイムを考慮することが 可能である。

モした、マルチ測定シーケンスは、基本的な計測の繰り返しからなるが、もしそ れが高速（数ミリ秒）で行なわれるとしたならば、迅速なシステムが研究されな ければならないであろうし、大きな時間ｒ：３隔（数分）で繰り返されれば、観 察すべき長い時間の交代となるであろう。

本発明はまた、トレーの中のウェルの底及Ｕ／ｌたは壁の個々のウェルから生ず る光を改良するためのアルミナイジングに対処する。！３の実施例（Ｃ）のよう に、本発明は直接又は間接のファイバー光カップリングによって薄い断面の測定 に使われる。独立の光放出箇所の９６ウエルのトレーの代わりにゲル電気泳動に おけるように多数の（例６）のラジェーションのラインソースのコラムが連当に 変形さｎた光ガイドを使うことによって感知される。

かくて、出力＃直径１ｍｍ、発生ｆｉＮＩＸ１０ｍｍ２のコラム面積を被うよう にびフたりと包まれた２００形状のガイドが使用される。目に見える光子放出が 発生源からある場合、例えば発生源物質の中に発光物質が含まれている場合は、 これらの形づけられたガイドは単なるプラスチック又はガラスンとすることがで きる。サンプルからの放出がＸ線、γ線又は電荷粒子である場合は、形づけられ た端部自身は適当な発光物質から製造されることができる。

本発明はまた、マイクロ・フコ−セルの中で起こる反応の測定に使用される。増 強された感度はまず、第一に極低率の光子放出を検出しかつ測定することを可能 とするのみならず、ウィルス５！染等に対する全人ロスクリーニングに必要とさ れるマス、スクリーニング技術の基礎的ｌ・須条件である所の非常ｔ；短い期間 において多数のサンプルの同時測定を可能ならしめるものである。

４２Ｏｎｍｓの分析？１．１定について引用したが、本発明はこの波長に限られ ているものではなく、いかなる波長の可視又は不可視（即ちＵＶ又はＩＲ＞ｕ躬 の検出に使用され得る。更に、２・要ならば反応物によっては放８される特殊の 波長を選択するために反応場所にイメージインテンシファイアの７エイスプレー トとの間に光学的フィルタを導入することも出来る。

（図面の簡単な説明） 以下、本発明を、添付図面を書類し、実施例をあげて説明する。

第１図は一実施例の装置全体構成図、 ＩＥ２図はＨ＃の一部詳細図、 第３図は変形したサンプルホルダーの部分詳細図、第４図は本発明の具体例の検 出装置システム全体の概略ブロック図、 第５図はサンプルトレー中のウェルと光ガイド下端との開の対面祁の拡大縦断面 図、 第６図は個々のウェルとイメージインテンシファイアのフェイスプレートとの間 の総合状態を示す部分拡大縦断面図、 第７図は強化器の円形のフェイスプレートの一部の上に８ウエルコラムの可能な 配置を示した説明図、第８図と第８Ａ図はゲルを気泳動のための必要な変形例を 示した説明図である。

（望ましい実施例の詳範な説明） 改に、添付図面に従って実施例を説明する。

最初に実施例（ａ）を図１についてみると、サンプルホルダー１０が支持物１２ によフてマイクロスコープ１４の下に支持される。本発明のイメージ定量器はサ ンプルを下から見るように位置付けられる。そして、高い増強度のイメージイン テンシファイア１６と、連結するファイバー光学連結器１８とイメージインテン シファイア出力をＣＣＤ２０にマイクロコンピュータ２４によってコントロール さｎたＣＣＤ駆動回路２２と、コントロールされたｔ　ｆｌ　２６とから構成さ れる。ＣＯＤからの出力信号は処理回路を経由してディスプレイｌｌ！！１４２ 及びマイクロスコープの中心決め装置４４へ取り入れられる。

信号処理回路（〒図示）は、デジタイザーとテレビフレームの割合で読まれるＣ ０Ｄ２０上の蓄積されたイメージの貯蔵とを包含する。観察視野の中の位置決め は次のように行われる。

全体像はコントロールコンピュータ２４によりディスプレイデバイス４２の上に 示される。グラフイクポインタが同時にディスプレイされ、オペレータにより例 えば選択した部位に一致するようにマウス４０が動かされる。

コンピュータはポインタの位置ノートし・　Ｘ−Ｙステージコントロールデバイ スに通じられた信号をコンビニートして、関心場所の位置決めのためにサンプル またはマイクロスコープのどちらかを移動させる。適当なイメージ処理ソフトウ ェアの使用が、ソフトウェアによって認められれた形状については、オペレータ の介入なしの自動的位置決めを可能にする。

適当′、Ｌイノージインテンシファイアは例え（てマラード（Ｍｕｌ　１ａｒｄ ）によって製造販売されているようなマイクロチャンネルプレート強化を合同す る１８ｍｍ直径のチューブであるψ　適当なＣＣＤはＧＥＣＰ８６００！はＥＥ ＶＰ８６０２である。これらのユニットは約１．７の減少率を持つ光学的ファイ バーテーパー又は応用上ｌ・要ならば、ストレーＦカップラーによって結合され る。サンプルホルダー１０（第２及び第３図曽翌）は、イメージインテンシファ イア１６のファイバー光学フェイスプレート３２と直接コンタクトするファイバ ー光学ガラスの底板３０を有する第３図に示したように、この底板３０は液体サ ンプルを容れるための浅いウェル３４が形成され得る。上のガラス板３６はサン プルと下板との効率的な接触を確実にするため、上記下板に対して締め付けられ る。但し、ウェア形状の下板の場合は上板を省くことができる。

上記、ファイバー光学下板は光学的イメージのイメージインテンシファイアへの 移転において、解像度の低下を防ぐのに重要である。

示されているＨ＃は、非常に高い解像度における光学的イメージが可能である。

！＋］ち、単一の光子検出の場合においてさえ、約１０＝１のＳ　／　Ｎ比の最 悪の信号について５０Ｘ５０ミクロン或いは更に３０Ｘ３０ミクロンのサンプル 単位面積まで可能である。

前述の実施例（ｂ）についていえば、第４図面検出システムの全体を示している 。　】１０は支持テーブルであり、そこに第４Ａ図に示したようなプラスチック の薄いシートから成るサンプルトレー１１２か載せられる。第４Ａ図では、上記 シートは妓則正しい間隔をもって円筒状のウェル１１４が形成されている。ウェ ル１１４は液状サンプルが置かれる。代表的トレーは各列に８ウエルをもつ１２ 列を有する０代表的には、隣接するウェルの直径は約６ｍｍである。使用に際し てはサンプルはトレーの中のウェルの中に置かれ試薬がサンプルに加えられる。

計画された分析のタイプにより、試薬がウェルの中の液体サンプルに加えられた ときに螢光又は燐光又は他の光子放出を生ずるような試薬が選択される。ある有 機体又はウィルス、抗体、或いは他の成分がサンプル液体中に在る場合は、菅通 光子放出極めて低いレベルのものである。

このような反応に伴う極低光レベルのために、起こった反応を示す信号を生ずる よう適当な時間の間サンプルからの光子放出を受けかつ、積分することができる 高悪度の検出器が使用されねばならない。かくして、テストの終わりにおいて意 味のある光子放出が検出されないならば、その液体と試薬とは反応しないと考え られる。その逆もしかりである。

本発明によれば、極低レベルの光放出がイメージインテンシファイア１１６を使 って増強される。代表的には８０ｍｍ直径の入力フェイスプレートと７ｍｍ直径 の出力窓１２０とを持った縮尺イメージインテンシファイアが使われる０代表的 には、イメージインテンシファイアは縮尺の強化器のように、高い利得増強器で ある。

サンプルトレー１１２の中の個々のウェルと入力フェイスプレート１１８との間 に総体的に１２２と示した多数の光ガイドが備えられている。これは入力フェイ スプレー）１１８の定められた部位に各ウェルからの光出力を結合するのに使わ れる。光ガイド】２２の詳紐及Ｕ装置のこの部分の特徴を減少させる結合芋臭と クロストークは後の図面について更に詳細に述べる。

電荷結合女子（ＣＣＤ　）カメラ１２４はイメージインテンシファイア１１６の 出力Ｚ１２０に軽くかつ緊密に結合され、ＣＣＤカメラに対する駆動！気回斃は １２６に備えられる。イメージインテンシファイアとＣＣＤカメラに対するパワ ー駆動口８１２６からの出力信号はマイクロコンピュータ１３０の入力端に供給 されるよう示されている。マイクロコンピュータ１３０は情報を処理し、かつサ ンプルトレーの中の各ウェルについての出力情報信号を伝えるのに適したもので ある。

第５図は、サンプルトレー１１２の分横断面を示す。

２つのウェル１３２と１３４が、液体サンプル１３６と１３８を夫々含んでいる 所を示している。薄い透明なプラスチック膜１４０が、　トレー取扱中にサンプ ルの偶発的混合や汚染を防止するためにトレーの上に張られている。代表的には 腹】４０は所謂粘着フィルムである。膜１４０の上に、可圧縮ゴム、ガスケット １４２が置かれている。このガスケットは図示の１４４と１４６のようにトレー のウェルに整合させた開口部を有している。開口部１４４と１４６はウェル１３ ２と１３４に合わせられている。ゴムは可圧縮性で、例えばスポンジゴムてもよ い、但し、光に対し不透明で図示の１３６と１３８のような液体サンプルの表面 から放出される光の側面への伝達が完全に阻止されることが重要である。

ガスケット１４２の上に不透明の支持プレート１４８が置かれる。支持プレート １４８はウェルに対応した数と位置の多数の開口部を有しており、これらを通じ て透明な光ガイドが通され、確実に支持される。第５図において、そのような光 ガイド】５０と１５２とがプレート１４８を通してウェル】３２と１３４と結ば れた透明Ｚを形成したプレート１４８の下に示されている。　トレー１１２が造 られている物質はそれ自身が光に対し不透明か又はペンキのような不透明な物質 で片面又は両面をコートされる。セル１３２及び１３４の内壁を銀色にする又は 反射性にすることにより、改善が得られる。

トレーの材質に透明なものが使用されるときは、　トレーの内面でなく表面が銀 色にされる。この銀色化は、次の二重の目的に役立つ、！ｇち、サンプルから関 係する光ガイドに向かって項を反射し、又透明なプラスチック材を不透明にする ものである０Ｍ色化という語を使フたが、これは反射表面を造るのに使われる物 質、アルミニウムコーチング又は反射表面を造るために使われる薄膜、その他に 限るものではない。

第６図は、光ガイドが第４図に示した強増力イメージインテンシファイア１１６ の人力フェイスプレート１１８にプレート１４８から如何に配置されるかを示す ものである。一般に、ウェルは直線的に整列されイメージインテンシファイア１ １Ｂのフェイスプレートは円形であり、フェイスプレートの直径はウェルの直線 的整列の長さ寸法よりもいくらか小さい。

光ガイドの横断面積とフェイスプレート上の光ガイド間の室間との累積面積がフ ェイスプレート１１８の面積よりも大きくないならば、そして光ガイドが第６図 に示したように曲げられ得るならば、図示の１５０と１５２のような各光ガイド のすべてがプレート１４８上の直線的整列とフェイスプレート１１８をカバーす る円形整列との間に配置されることができる６点線で１５４として示された第２ の不透明プレートが不要な光入力や強化器入力への妨筈を減少させ、又機械的支 持のために備えられる。

第７図は、一般的に矩形のトレー１１２から、イメージインテンシファイアの円 形の入力フェイスプレート１１８へのイメージインテンシファイアの軸に沿って 見た配置を示している。一般的に１５６と示した右手のウェルの列が１５８や１ ６０で示した光ガイドによって、光ガイド１５８，１６０等の上端の横断面に対 応のする円形の部位に配置されているのが示されている６図示されてはいないが 、光ガイドはそれ自身の銀色化（アルミニウムコーチングなどにより）され又低 屈折率の透明物質で貼り合わせることによって光ガイドの内部反射率を高め、か つ光ガイドの壁を通しての光損失を防ぎ得る。

最後に第８図と第８Ａ図は、前述実施例（Ｃ）、ゲル電気泳動への応用を示す。

寸法１５ｃｍＸ２０ｃｍの電気泳動サンプル１７０は約２ｃｍ巾の６個の線条】 ７２の中に情報をもっている。＆！条１７２は第８Ａ図に示したように、２００ の変形さｎた光ガイド１７４から成る６個のコラムによって検出されたラインソ ースな構成する。光ガイド１７４はサンプルの中に発光物質（ｓｃｉｎｔｉｌｌ ｏｔｏｒ）が混合されている場合、又は例えばサンプルからの放出がＸ＆Ｉであ る場合、ガイドの矩形状の端は適当な発光物質から造ることが出来る。

国際調査報告 ｗｗ−−−ｈ＊−−”＠　？ＣＴ／ＧＢ　Ｉ！７１０ＯＩｓ２４　２

Claims (27)

【特許請求の範囲】
1. １．１個又は複数のサンプルを支持するサンプルホルター上の異なった場所から 放出ざれる光子放出を入力フェイスプレートの別個の部位で受るためにサンプル ホルターと光学的に連結するようにしたイメージインテンシファイアと、 フェイスプレートの各別個の部位で受けられた光子放出による電気的出力信号を 生ずるためにイメージインテンシファイアの出力に連結された光電検出手段と、 サンプルホルターによって支持された１個または複数のサンプルによる光子放出 の発生場所に、各出力信号を関連付けるための信号処理手段とから構成される高 解像度の光学的イメージ装置。
2. ２．上記サンプルホルダーが、サンプルそ直接支持するための光学ファイバーガ ラス製の下面を有したイメージ定量器の形の請求項１に記載の装置であって、サ ンプルの全面構から、単位面積毎に光を受けるために、サンプルホルターの下面 に光学的に連結されたファイバー光学フェイスプレートを有するイメージインテ ンシファイアと、 サンプルの単位面積に対して少なくとも１つのピクセルを有し、イメージインテ ンシファイアの出力面に光学的に連結されたＣＣＤセンサーと ＣＣＤに菩積されたイメージを周期的に読み出すための電子的手段と、 得られた電気信号を処理するための信号処理手段と、オペレータがサンプル中の どの関心場所をも確認し得るように、処理された信号によって駆動される手段と を有した装置。
3. ３．イメージインテンシファイアによって観察している時に、サンプルの蛍光を コントロールして、検出器の飽和そ防ぐようにした手段を設けている請求項２に 記載の装置。
4. ４．自己発光のサンプルを観察するために、すべての外光源が遮断されている請 求項２に記載の装置。
5. ５．信号処理手段が、ＣＣＤから得られた信号を数値化する手段と、数値化され た信号を菩積する手段を備えた請求項２に記載の装置。
6. ６．菩積された信号が、マイクロスコープの位置決め装置を制御するために読み だされる請求項５に記載の装置。
7. ７．請求項６に記載の装置であって、 サンプルの少なくとも一部を表示するために、処理された信号によって駆動され るディスプレイ装置を備え、それによって、サンプル全体を低力で走査する必要 がなく、関心場所が特定できるように顕微鏡が自動又は手動で動かされて、関心 のある場所が確認できる装置。
8. ８．イメージインテンシファイアをＣＣＤに連結するファイバー光連結器を有し た請求項２に記載の装置。
9. ９．ファイバー光連結器が減倍率連結器である請求項８に記載の装置。
10. １０．サンプルのどの単位面積からの光も、小さい多数のＣＣＤピクセルの上に 広がるようにした請求項２に記載の装置。
11. １１．Ｓ／Ｎ比を改善するためにＣＣＤが冷却される請求項２に記載の装置。
12. １２．ＣＣＤに菩積されたイメージが少なくともテレビフレームの走査割合で読 み出ざれる請求項２に記載の装置。
13. １３．サンプルホルダーが液体サンプルの試験を可能にする浅いウエルを有する 光学的ファイバー底板を有し、かつサンプルホルダーは、サンプルと上記下部プ レートとの間の十分な接触圧保持させる位置決めリングによって下部プレートに 対向して置かれた上部プレートを有している請求項２に記載の装置。
14. １４．２つのプレートが一緒に締め付けられ、上からは顕微鏡による観察のため に、下からはイメージ定量器による検出および測定のために設けられている請求 項１３に記載の装置。
15. １５．極低率の光子放出に応答し得る光子検出器の形の請求項１に記載の装置で あって、 多数の反応場所の各々からの光子放出を入力フェイスプレートの配慮された部位 で受けるように配置されたイメージインテンシファイアと、 関連する個々の反応場所から出て、イメージインテンシファイアの入力部で受け られた光子放出に依存した出力信号として、出力極流を生ずるようにイメージイ ンテンシファイアの出力に結合された光電センサーと、異なった出力信号が反応 発生場所に関連されるようにして、出力電流圧異なった出力信号として菩積する 回路手段を備え、そのために、もし個々の反応場所の各々からの光放出があれぼ 、出力電流は光放出に応じて装置から得ることができる装置。
16. １６．各々の場所圧イメージインテンシファイアの入力フェイスプレートの配慮 された部分に結合させた光ガイド手段によって各反応場所が別々に、各場所をイ メージインテンシファイアの入力フェイスプレートの配慮された部位に結合して いる請求項１５に記載の装置。
17. １７．光ガイドがその横断面積において、サンプルホルダーと結ぶ入力端とイメ ージインテンシファイアの入力フェイスプレートと結ぶ出力端との間で減少して いる請求項１６に記載の装置。
18. １８．サンプルホルターがサンプルを夫々容れる複数のウエルを有している請求 項１５に記載の装置。
19. １９．光電気センサーがＣＣＤデバイスである請求項１５に記載の装置。
20. ２０．イメージインテンシファイアがマルチステージの減倍率の高利得イメージ インテンシファイアである請求項１５に記載の装置。
21. ２１．上記回路手段が信号積分手段を含み、かつプラックレベルに依存するピク セルに対する補償を行ない、イメージの読み出し中は平坦分野を補正し、単一の 光から出る全光は、特別な場所からの光に応答するピクセル群の中のピクセルか らの総和によって得られるようになっている請求項１５に記載の装置。
22. ２２．上記回路手段は、各ピクセルに関連する電荷に応じたデジタル信号値を生 ずるフラッシュアナログーデジタル変換器圧含んでいる請求項１５に記載の装置 。
23. ２３．フォト・センサーがベルチェ冷却によって冷却されたＣＣＤデバイスであ る請求項１５に記載の装置。
24. ２４．長い積分期間の間、高いフラックス場所を自動的にマスクするため利用さ れるコンピュータ制御されるシャッターを含む請求項２１に記載の装置。
25. ２５．反応場所がゲル電気泳動における検出を可能ならしめる多数の輻射源のコ ラムからなる請求項１５に記載の装置。
26. ２６．イメージインテンシファイアと、規則正しく整列された多数の反応ウエル 圧含むトレーを受け、且つ支持し、ウエルから放出された光がイメージインテン シファイアのフェイスプレートの配慮された部位に受けられるようにした手段と 、 イメージインテンシファイアからの光を受け、積分期間中、各セルから受けられ る光を示す電気信号を生ずるように適応させた多元充電アレー検出器と、積分時 間のコントロールとトレー中の関連ウエルからの光子放出に対応した値をもつ電 気出力信号そ生ずる電気回路手段とから構成される複合電気分析測定法のための 請求項１５に記載の装置。
27. ２７．関心場所の高倍率観察のためのマイクロスコープの位置決めがサンプルホ ルダー全体のイメージインテンシファイアによる低倍率検査によって可能となる ようにされたマイクロスコープとホルダー上の異なった場所と個々に連結された 入力フェイスプレートの別々の部位を持つイメージインテンシファイアのサンプ ルホルダーに支持されたサンフルを観察するために使用される組み合わせ操作方 法。